JP4359664B2 - 電磁流量計 - Google Patents

Description

本発明は、管路を流れる液体金属等の導電性流体の流量計測を行う電磁流量計に関するものである。

従来の電磁流量計として、例えば特許文献１に記載の液体金属電磁流量計が知られている。この電磁流量計は、液体金属の管路を挟んで対向配置されて、管の軸線と直交する向きの磁界を形成する一対の磁石と、上記磁界を液体金属が横切ることにより発生する起電力を計測するための一対の電極とを備え、上記起電力の測定値から液体金属の流量を導き出すようにしている。
特開平１０−１７６９３７号公報

しかしながら、上記従来の電磁流量計においては、管路を挟んで両側に磁石を設置する構造となっているため、例えば実用向け高速増殖炉の配管のように大口径の配管の測定を行う際には、配管の外形寸法に応じた大型の励磁装置を設置する必要があり、設置スペースの確保が困難になるという問題点や、励磁装置の製作コストが増大するといった問題点があった。
また、上記従来の電磁流量計にあっては、管路の形状として円筒状の管路を想定しているため、それに近い形状の管路であれば、管路内の液体の流量を比較的精度良く測定することができるが、例えば断面が円環状の管路など、管路の形状によっては、管路内の液体の流量を正確に計測することができず、適用が困難な場合もあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、励磁装置の小型化を図ることができ、様々な断面形状の管路にも適用することができる電磁流量計を提供することを目的とする。

本発明に係る電磁流量計は、管路を流れる導電性流体の流量計測を行う電磁流量計であって、管路外壁と直交する磁界を形成するための励磁装置と、上記磁界を導電性流体が横切ることにより発生する起電力を計測するための一対の電極とを有し、それら電極と上記励磁装置の両磁極とが管路外壁の外側（少なくとも管路外壁の周方向１８０度の範囲内）であって管路外壁の片側に集約して配置され、さらに、上記励磁装置は、所定間隔を配して管路外壁に沿って配置される板状部と、この板状部の両端および中央部より管路外壁に向かって延出する３本の柱状部とからなる鉄心と、上記柱状部の各々に巻装された励磁コイルとを備え、上記３本の柱状部のうち、中央の柱状部の先端に現れる磁極と、両側の柱状部の先端に現れる磁極とが互いに極性が異なるように上記励磁コイルに電流が印加されるとともに、中央の柱状部の先端両側に上記一対の電極が配置されていることを特徴とするものである。

ここで、上記励磁装置には、直流励磁方式の励磁装置が含まれる他、永久磁石方式や交流励磁方式の励磁装置も含まれる。
また、上記導電性流体は、例えば液体金属を始め、水等の電解質流体など、導電性を有する流体であれば如何なるものであってもよい。但し、水の場合は、液体金属と比較して電気伝導度が低いため、励磁方式として交流正弦波励磁方式または交流方形波励磁方式を採用することが好ましい。
また、上記管路は、上記導電性流体の流路を有する管路であれば如何なる形状のものであってもよく、代表的なものとして、例えば軸心が共通で互いに径の異なる内管と外管とを有し、それら内管と外管との間隙が導電性流体の流路となる断面円環状の管路等が挙げられる。

本発明によれば、励磁装置の両磁極と一対の電極とが管路外壁の片側に集約して配置されるので、例えば実用向け高速増殖炉の配管のように大口径の管路に適用する場合においても、励磁装置の大型化を招く心配は無く、よって励磁装置の設置スペースを容易に確保することができるとともに、励磁装置の大型化に伴うコスト増大を回避することができる。また、管路の壁面近傍の流路に流量測定に必要な磁束分布を形成できることから、従来は計測が困難であった様々な形状の管路にも適用することができる。特に、断面が環状の管路や、断面が縦長または横長の矩形状の管路などのように、管路壁面の近傍に導電性流体の主流部が存在するような場合には、導電性流体の流量や流速を精度良く測定することができる。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係る電磁流量計の第１の実施形態を示すもので、図中符号１が管路である。この実施形態の管路１は、断面形状が円環状の管路で、その内部流路１ａには導電性流体が流れている。
この管路１の外壁１ｂには、管の軸線と直交する向きの磁界を形成するための励磁装置１１が設けられるとともに、上記磁界を導電性流体が横切ることにより発生する起電力を計測するための一対の電極２ａ，２ｂが設けられ、それら電極２ａ，２ｂと励磁装置１１の両磁極とが管路外壁１ｂの片側に集約して配置されている。

励磁装置１１は、鉄心１２と励磁コイル１３の組合せにより構成されている。鉄心１２は、図２に示すように、所定間隔を配して管路外壁１ｂに沿って配置される断面円弧状の板状部１４と、この板状部１４の周方向の両端および中央部より管路外壁１ｂに向かって径方向に延出する３本の柱状部１５ａ，１５ｂ，１５ｃとを有している。中央の柱状部１５ｂの両側（各柱状部の間）には、後述する磁束を跨ぐように、管路外壁１ｂに沿って電極２ａ，２ｂが対称的に配置され、各柱状部１５ａ，１５ｂ，１５ｃには励磁コイル１３がそれぞれ巻装されている。各励磁コイル１３には、中央の柱状部１５ｂの先端に現れる磁極と、両側の柱状部１５ａ，１５ｃの先端に現れる磁極とで、互いに極性が異なるように電流が印加される。本実施形態では、中央の柱状部１５ｂの先端がＳ極、両側の柱状部１５ａ，１５ｃの先端がＮ極に設定されている。

上記構成からなる電磁流量計１０において、各励磁コイル１３に電流を印加した際には、両側の柱状部１５ａ，１５ｃの先端（Ｎ極）から中央の柱状部１５ｂの先端（Ｓ極）に至る磁束が生じ、中央の柱状部１５ｂの先端近傍に、管路外壁１ｂと直交する向き（管路１の径方向）の合成磁界が形成される。その結果、中央の柱状部１５ｂの先端近傍の導電性流体には、ファラデーの電磁誘導の法則により、磁界の向き（管路１の径方向）と導電性流体の流れる方向（管路１の軸方向）の双方に直交する向き（すなわち、両電極２ａ，２ｂを結ぶ線分の方向）に、導電性流体の流速に応じた起電力が生じる。この起電力は、両電極２ａ，２ｂを介して外部に取り出され、その測定値から導電性流体の流量または流速が求められる。

次に、上記電磁流量計１０の適用例について図３に基づいて説明する。
図３は、電気出力７５０ＭＷｅのナトリウム冷却炉の電磁ポンプ組込型中間熱交換器の概略構成を示す図である。本機器２０は、１次ナトリウムと２次ナトリウムの熱を中間熱交換器伝熱管２１において交換するための装置であり、図３（ａ）に示すように、内部に１次ナトリウムを駆動するための電磁ポンプ２２を備えている。電磁ポンプ２２は、図３（ｂ）に示すように、電磁ポンプダクト（管路）２３を有し、この電磁ポンプダクト２３の内側と外側にそれぞれ配置されたステータ２４により、１次ナトリウムに電磁的に駆動力を与えている。電磁ポンプダクト２３は、内外にステータ２４を設置するために、円環状の流路とされ、この電磁ポンプダクト２３の外壁に、図３（ｃ）に示すように、電磁ポンプダクト２３を流れる液体金属ナトリウム（導電性流体）の流量または流速を測定するための電磁流量計１０が設置されている。

例えば、電磁ポンプダクト２３の外ダクト（外管）２３ａの外径を１６３０ｍｍ、その肉厚を１０ｍｍ、電磁ポンプダクト２３の内ダクト（内管）２３ｂの外径を１４３０ｍｍ、その肉厚を１０ｍｍとした場合、図１に示す電磁流量計１０の各部の寸法は、例えば、Ｓ極励磁コイル１３の磁極幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍ、磁極高さ１１０ｍｍ、Ｎ極励磁コイル１３の磁極幅１００ｍｍ、長さ５００ｍｍ、磁極高さ１１０ｍｍ、各磁極間の距離１６２ｍｍ、鉄心１２の板状部１４の長さ５００ｍｍ、肉厚３０ｍｍ、電極間距離３００ｍｍにそれぞれ設定することが可能である。この電磁流量計１０において、励磁コイル１３の基本仕様を以下のように設定した場合、図４示すような磁束密度の分布が得られると推定される。

・索線寸法 ：２ｍｍ×６ｍｍ
・配列 ：１０列×８段
・コイル断面：４０ｍｍ×６５ｍｍ
・電圧 ：２４Ｖ
・電流 ：２０Ａ

図４は、３次元電磁場解析プログラム（ＯＰＥＲＡ−３Ｄ）を用いてＳ極励磁コイル１３の先端近傍のナトリウム流路における磁束密度を解析したもので、このグラフの縦軸は磁束密度、横軸は半径位置（ｒ１は外ダクト２３ａの位置、ｒ２はナトリウム流路の中心位置、ｒ３は内ダクト２３ｂの位置）をそれぞれ表している。この解析結果によれば、外ダクト２３ａの位置（ｒ１）から流路中心（ｒ２）にかけて０．０１１（Ｔ）以上の磁束密度が得られることが分かる。
図３に示す構成例では、電極２ａ，２ｂが外ダクト２３ａに設置されているため、外ダクト２３ａから流路中心にかけての磁束密度が流量測定に大きな影響を与えると考えられる。したがって、液体金属ナトリウム冷却高速増殖炉の出力が１００％（ナトリウム流速約１２．５ｍ／ｓ）であるときの電磁流量計１０の出力概算値は、次式により約０．０４Ｖと評価することができ、従来型の電磁流量計と比較して同等程度の測定精度が得られることが分かる。

電磁流量計の出力概算値
＝磁束密度０．０１１Ｔ×流速１２．５ｍ／ｓ×電極間距離０．３ｍ
＝０．０４１２５Ｖ

以上のように、本実施形態によれば、励磁装置１１の両磁極と電極２ａ，２ｂとを管路外壁の片側に集約して配置するようにしたので、従来と比較して励磁装置１１を大幅に小型化することができる。したがって、励磁装置１１の設置が容易となり、装置コスト等の低減を図ることができる。
しかも、管路の壁面近傍に、導電性流体の流量測定に適した所望の磁界を形成できることから、例えば、従来は測定が困難であった断面が環状の管路や、断面が縦長または横長の矩形状の管路など、導電性流体の主流部が壁面近傍に存在するような管路において、導電性流体の流量や流速を精度良く測定することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る電磁流量計の第２の実施形態を示すもので、上述した第１の実施形態と同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この第２の実施形態では、管路外壁１ｂに対してほぼ垂直な向きに配置された柱状の鉄心３２と、この鉄心３２に巻装された励磁コイル３３とにより、励磁装置３１が構成されている。本実施形態では、この励磁装置３１の管路側端部がＳ極に、管路１と反対側の端部がＮ極に設定されている。また、励磁装置３１の両側には、後述する磁束を跨ぐように、管路外壁１ｂに沿って電極２ａ，２ｂが対称的に配置されている。

上記構成からなる電磁流量計３０において、励磁コイル３３に電流を印加した際には、励磁装置３１のＮ極からＳ極に至る磁束が生じ、励磁装置３１のＳ極近傍に、管路外壁１ｂと直交する向き（管路１の径方向）の磁界が形成される。その結果、励磁装置３１のＳ極近傍の流路１ａを流れる導電性流体には、ファラデーの電磁誘導の法則により、磁界の向き（管路１の径方向）と導電性流体の流れる方向（管路１の軸方向）の双方に直交する向き（両電極２ａ，２ｂを結ぶ線分の方向）に、導電性流体の流速に応じた起電力が生じる。この起電力は、両電極２ａ，２ｂを介して外部に取り出され、その測定値から導電性流体の流量または流速が求められる。

このように本実施形態の電磁流量計３０によっても、第１の実施形態と同様、管路の壁面近傍に、導電性流体の流量測定に適した所望の磁界を形成できることから、断面が環状の管路等のように、導電性流体の主流部が壁面近傍に存在するような管路において、導電性流体の流量や流速を精度良く測定することができる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明に係る電磁流量計の第３の実施形態を示すもので、上述した第１の実施形態と同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この第３の実施形態では、略Ｕ字形の第１鉄心４２と、この第１鉄心４２に巻装された励磁コイル４３と、円弧状に湾曲した略板状の第２鉄心４４とにより、励磁装置４１が構成されている。

第１鉄心４２は、所定間隔を配して外管の外壁面１ｂに沿って配置される断面円弧状の板状部４２ａと、この板状部４２ａの周方向の両端より外管の外壁面１ｂに向かって径方向に延出する一対の柱状部と４２ｂ，４２ｃとからなる。本実施形態では、図中下側の柱状部４２ｂの先端がＳ極、上側の柱状部４２ｃの先端がＮ極に設定され、Ｎ極の両側に、外壁面１ｂに沿って電極２ａ，２ｂが対称的に配置されている。

一方、第２鉄心４４は、一方の柱状部４２ｂの先端（Ｓ極）と対向する位置から他方の柱状部４２ｃの先端（Ｎ極）と対向する位置に亘って、内管の内壁面１ｃに沿って配置されている。鉄の比透磁率は真空の１５０倍程度であるため、このように第２鉄心４４を配置した場合、励磁装置４１からの磁束は空間に広く分布することなく、第２鉄心４４内部を通過する形で分布することとなり、結果として、導電性流体の流路１ａを径方向に横断する磁束密度を高めることができる。

上記構成からなる電磁流量計４０において、各励磁コイル４３に電流を印加した際には、励磁装置４１のＮ極から第２鉄心４４を経由してＳ極に至る磁束が生じ、励磁装置４１のＮ極とＳ極近傍に、流路１ａを径方向に横断する向きの磁界がそれぞれ形成される。その結果、各磁極近傍の流路１ａを流れる導電性流体には、ファラデーの電磁誘導の法則により、磁界の向き（管路１の径方向）と導電性流体の流れる方向（管路１の軸方向）の双方に直交する向き（両電極２ａ，２ｂを結ぶ線分の方向）に、導電性流体の流速に応じた起電力がそれぞれ生じる。このうちＮ極近傍に生じる起電力が、両電極２ａ，２ｂを介して外部に取り出され、その測定値から導電性流体の流量または流速が求められる。

このように本実施形態の電磁流量計４０によっても、第１および第２の実施形態と同様、管路の壁面近傍に、導電性流体の流量測定に適した所望の磁界を形成できることから、断面が環状の管路等のように、導電性流体の主流部が壁面近傍に存在するような管路において、導電性流体の流量や流速を精度良く測定することができる。

なお、以上の各実施形態においては、管路として、円環状の断面を有する管路１を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、断面が縦長または横長の矩形状の管路など、その他の断面形状の管路であってもよい。
また、以上の各実施形態においては、管路１の外周部に１つの励磁装置を設ける構成としたが、管路１の周方向に沿って複数の励磁装置を設けるようにしてもよい。そうすることで、管路全体の流量の測定精度をより一層向上させることが可能である。
さらに、以上の各実施形態において、励磁装置として直流励磁方式の励磁装置が含まれる他、永久磁石方式や交流励磁方式の励磁装置にても実施できる。また、導電性流体は、例えば液体金属を始め、水等の電解質流体など、導電性を有する流体であれば如何なるものであっても利用できる。但し、水の場合は、液体金属と比較して電気伝導度が低いため、励磁方式として交流正弦波励磁方式または交流方形波励磁方式を使用することが望ましい。

本発明に係る電磁流量計の第１の実施形態を示す断面図である。 励磁装置の拡大断面図である。 ナトリウム冷却炉の電磁ポンプ組込型中間熱交換器の概略構成を示すもので、図３（ａ）は全体構成図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図１の電磁流量計を図３の熱交換器の電磁ポンプダクトに適用したときに生じる磁束密度分布の解析結果を示すグラフである。 本発明に係る電磁流量計の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電磁流量計の第３の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 管路
２ａ，２ｂ 電極
１０，３０，４０ 電磁流量計
１１，３１，４１ 励磁装置
１２，３２ 鉄心
１３，３３，４３ 励磁コイル
４２ 第１鉄心
４４ 第２鉄心

Claims (1)

1. 管路を流れる導電性流体の流量計測を行う電磁流量計であって、
   管路外壁と直交する磁界を形成するための励磁装置と、前記磁界を導電性流体が横切ることにより発生する起電力を計測するための一対の電極とを有し、それら電極と前記励磁装置の両磁極とが管路外壁の外側で、かつ片側に集約して配置され、さらに、
   前記励磁装置は、所定間隔を配して管路外壁に沿って配置した板状部と、この板状部の両端および中央部より管路外壁に向かって延出する３本の柱状部とからなる鉄心と、
   前記柱状部の各々に巻装した励磁コイルとを備え、
   前記３本の柱状部のうち、中央の柱状部の先端に現れる磁極と、両側の柱状部の先端に現れる磁極とが互いに極性が異なるように前記励磁コイルに電流を印加するとともに、中央の柱状部の先端両側に前記一対の電極を配置していることを特徴とする電磁流量計。

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